0

0
0

文字

分享

0
0
0

參與世界最大天文臺合作計畫,懷抱夢想的天文學家賴詩萍博士

臺北天文館_96
・2017/03/10 ・3878字 ・閱讀時間約 8 分鐘 ・SR值 519 ・六年級

文/范賢娟|任職於清華大學育成中心,台北天文館刊物《臺北星空》特約採訪。

賴詩萍教授和研究團隊參與了世界最大的天文台合作計畫, ALMA 毫米波陣列。圖/臺北星空

許多人小時候會對大自然感到好奇,星空會是許多問題的來源。但在成長過程中,問題慢慢消失了,好奇心也不見了,許多人只能遵循常規去過平凡的日子。

今天訪問的學者,她還記得自己小時候的天文夢想,求學過程中的選擇也讓她一步步靠近夢想。今天她是一位大學教授,但仍保持孩童般的純真去看世界,去看自己的研究。

天文貧乏的成長環境

清華大學天文所賴詩萍教授,從小就對天文感興趣,她記得每次去書局都會把書局中跟天文有關的書全部買下來,不過那時候天文書籍還不多。她還會注意天文相關的訊息,看到哪天有月全食、日偏食,也都會刻意去看。但實際觀測到的情況不像媒體、書本上那麼大又清晰,還不容易看,許多人看了會失望,但賴教授就是很高興。

她還記得 1986 年哈雷彗星回歸的時候,她也跑去圓山天文臺看,但那年的彗尾的角度從地球的方向很不容易看清楚,她隱約看到一個小小霧霧的影像,也不確定是不是真的看到,但那種經驗、感覺,讓她更喜歡天文了!

但好像沒有大學在教天文,該怎麼選擇呢?

找到方向了!

她高中的時候去中央大學參加一個為期三週的地科營,這是一個空前絕後的知識饗宴,第一週學地科,第二週學大氣,第三週就是天文了,賴教授聽完還意猶未盡,在最後問老師:「如果想念天文的話,大學應該讀哪個系所?」當時中央大學的吳心恆教授告訴她要念物理,於是她牢記在心,考大學時就以物理為第一目標,後來進入清華物理系。

在清華念大學的時候,她還加入天文社,這是一個很有傳統的社團,包括現在清大的張祥光教授、陳惠茹教授、淡江的秦一男教授、中研院的金升光博士、蘇裕農博士……,都曾經是社團要角。他們經常會去尖石、內灣觀星,或者在清大的「光明頂」一起看流星,也是很難忘的經驗。

但「光明頂」在哪裡?原來那是在生科院往南門方向有個爬坡的最高點,清華人都那樣稱呼該地。當年他們就按照書上寫的觀測方式,在下半夜的時候一起去觀測,八個人背背相對、呈放射狀地躺在地面上,面對八個方向,準備好星圖,當看到流星的時候要趕快低頭在星圖上畫出它出現和消失的地方,相鄰視線重疊之處就是讓人可以互補避免遺漏。

除了獅子座流星雨偶爾的大爆發之外,每年最穩定的就屬於八月十二、十三的英仙座流星雨,賴教授記得當年曾有一個晚上觀測到一百多個流星的經驗,看過那之後其他的流星雨也就不足觀了。

清大天文社還有個特色,是喜歡辦讀書會。賴教授說與其他學校交流之後才發現,別的天文社比較偏重天文攝影,清大天文社則學術氣味很濃。當年秦一男學長帶著大家選了一本原文書來看,大家等於又修一門課,非常具有知識性,但因為參與的人都有興趣,因此也樂在其中。

正式進入天文領域

大學畢業之後,賴教授在周定一教授那兒擔任助理,同時也準備去考中央天文所,也順利考上了。她自謙說,念大學的時候成績不好,大學畢業後申請國外學校很不順利,因此碩一時特別用功。當年陳文屏教授的小組會議歡迎其他教授的學生過去聽,她會去參加,而自己論文則是跟著闕志鴻教授完成。此時她還是想出國去念書。

這次申請就順利多了,賴教授申請到伊利諾大學天文研究所,同時也拿到BIMA(BerkeleyIllinois-Maryland Association)獎學金。 BIMA 是由美國多個大學合作建立的無線電波陣列,  BIMA 獎學金則是由中研院天文所設置的,希望為臺灣培養電波天文學的研究人才。

賴教授在馬里蘭大學擔任博士後研究員期間參與 BIMA 的搬遷。當時 BIMA 與加州理工學院的 OVRO(Owens Valley Radio Observatory)正進行合併,成為 CARMA (Combined Array for Research in MillimeterwaveAstronomy)。圖/臺北星空

伊利諾大學華人天文學家魯國鏞教授已研究多時,指導她了解無線電波的基本觀念。因為無線電波訊號與光學影像差很多,因此與一般人習慣性的感覺很不一樣,不能用直觀的方式去思考,而要多一點物理觀念才能理解其中意義,所以需要花功夫學習。賴教授一開始就跟著魯教授進入這個領域,但一年之後魯教授要回臺灣擔任中研院天文所的所長,因此就介紹她去跟克拉崇(Richard Crutcher)教授繼續研究,她的研究領域也改到磁場。

測量磁場主要是看則曼效應(Zeeman Effect),也就是一條譜線在外加磁場的作用下會分裂的現象,如果磁場越強,譜線分離的就越遠。不過在星際之間,磁場很微弱,因此通常能觀察到的就是譜線變寬而已,還要儀器精確度相當高,才能量出來。

賴教授的一位學長是電機背景出身,在克拉崇教授門下的時候針對一個測量星際磁場的方法設計出關鍵元件,使得賴教授可以接續此法測量磁場。該方法是利用灰塵帶靜電,再加上其形狀並非均勻正球體,所以會在磁場中有特殊的排列方向,整體而言就會產生偏極,這和磁場方向垂直。賴教授的學長利用這個特性費盡心力製造出「毫米波的偏振片」之後亦實際測量了一個波源證實此元件能正確地量測到磁場,賴教授的論文即是以此儀器測量幾個最有可能量到磁場的觀測對象,探討磁場如何影響恆星形成。

拓展研究領域

畢業之後,賴教授到噴射推進實驗室(Jet Propulsion Laboratory, JPL)做博士後研究,當時 JPL 正大力鼓吹大家使用史匹哲(Spitzer)紅外線望遠鏡,這個大好機會讓賴教授開始思考如何使用紅外線觀測資料來增加恆星形成研究的深度。 2003 年史匹哲望遠鏡發射時,賴教授正在馬里蘭大學做博士後研究,當時即開始參與史匹哲太空望遠鏡的超大型探測計畫(Legacy Projects) 中有關恆星形成的「從分子雲核演化到行星盤」(From Molecular Cores to Planetary Disks)的觀測計劃 (簡稱 c2d 計劃)。史匹哲太空望遠鏡在 3-160 μm 的波長以空前靈敏的儀器提供了研究「恆星與行星形成」的關鍵性觀測資料。

目前中研院參與了世界最大的天文臺合作計劃  ALMA(Atacama Large Millimeter/submillimeter Array)毫米波陣列。在 ALMA 的第 0 階段(Cycle 0)全世界有九百多個申請案,卻只有一百多個通過,而臺灣通過申請的就有八件,成績相當優異,其中一件就是賴教授和她的學生做的原始行星盤之觀測。恆星周圍的盤狀物質,到演化後期會遵循克卜勒定律— 距離越近之處繞行越快,距離越遠繞行越慢,速度與距離中心的長度有比例關係,太陽系的行星即是遵守這個克卜勒發現的定律運行。天文學家認為,如果觀察到恆星盤面的物質遵守這定律,則代表這個盤面可以維持穩定,物質不會再大量的往恆星掉落,因此意味著行星可以開始形成了,然而對於原始行星盤究竟在多早的階段可以進入穩定狀態,天文學家仍爭論不休。

賴教授與學生穆美蓉(Nadia Murillo)分析 ALMA 的資料後,發現在「蛇夫座 Rho 星恆星形成雲」內有個三重原始恆星系統,其主星 VLA1623A 周圍有個盤狀結構,而其速度分佈合乎克卜勒定律,是個極為年輕的「克卜勒盤」(Keplarian Disk),其大小約為 150AU (1AU等於地球到太陽的距離)。此原始恆星質量僅為太陽質量的 0.2 倍,證明原始行星盤在恆星剛剛生成不久後就可以形成,也就是行星可能比過去認為的更早開始形成。

這究竟是一個特例還是通則?科學家要修改的是理論,還是找尋 VLA1623A 具有哪些獨特性造成它的克卜勒盤可以在那麼早的階段就形成?這些問題都很吸引人!因此這篇文章在投稿《天文及天文物理學報》(Astronomy and Astrophysics Journal)之後,很快獲得接受,並選為當期的重點文章,國內新聞界也對此做了相當多的報導。賴教授現在也爭取到了第 2 階段的觀測時間,希望能繼續抽絲剝繭找出答案。

賴教授在記者會上發表ALMA成果。由左而右為:賴教授、清大副校長馮達旋教授、物理系系主任潘犀靈教授、天文所張祥光教授、中研院天文所研究員李景輝博士。圖/臺北星空

天文教育的參與與觀察

在研究之餘,她也會抽出時間,協助天文教育。她主持了一個國科會的科教計劃「星.雲.行動」,協助北一女發展天文觀測數據分析與專題研究課程,與北一女的老師發展出許多教學模組,啟發莘莘學子對天文的興趣。

賴教授帶領高中教師到鹿林天文臺做天文觀測實習,推廣「星.雲.行動 」計劃的課程。圖/臺北星空

ALMA小檔案:
ALMA (Atacama Large Millimeter/submillimeter Array) 位於智利的阿塔卡瑪(Atacama)沙漠高原上,那是地表最乾燥的地區,可以避免掉水氣的干擾,被認為是地表設置無線電波望遠鏡最佳的環境。 ALMA 是由歐洲、北美、東亞與智利共和國合作建造的國際天文設施。
ALMA 的經費來源包括三部分:歐洲地區由歐洲南方天文臺(ESO);北美地區為美國國家科學基金會(NSF)、加拿大國家研究理事會(NRC)、與臺灣國科會(現改為臺灣科技部);東亞地區則為日本國家自然科學研究院(NINS)和臺灣中央研究院(AS)。  ALMA 的建設和營運是由歐洲南方天文臺代表歐洲,美國的國家電波天文臺(NRAO)代表北美,以及日本的國立天文臺(NAOJ)代表東亞。聯合 ALMA 天文臺(Joint ALMA Observatory, JAO)提供天文臺的建造、營運及操作的統一領導和管理。
ALMA 共有 66 臺無線電波望遠鏡,其中 54 臺口徑為 12 公尺,而剩下的 12 臺口徑為 7 公尺,解析度最高可達 0.01 角秒,為研究宇宙中許多黑暗冰冷的環境 (如氣體分子雲、星際塵埃、恆星形成的環境,行星、衛星等),提供更精確的觀測資料。從2011年開始,已有足夠多臺望遠鏡加入運作,可以提供科學家們使用申請。

ALMA建立在五千公尺的乾燥高原,所在國家為南美的智利,由許多國家一同合作完成,是一個最能展現國際合作的典範。ALMA陣列是目前世界上最巨大的天文設施。圖/http://almaobservatory.org/

本文轉載台北天文館之網路天文館網站,《台北星空》第 68 期。


數感宇宙探索課程,現正募資中!

文章難易度
臺北天文館_96
482 篇文章 ・ 23 位粉絲
臺北市立天文科學教育館是國內最大的天文社教機構,我們以推廣天文教育為職志,做為天文知識和大眾間的橋梁,期盼和大家一起分享天文的樂趣!


0

22
2

文字

分享

0
22
2

極目遠眺的意義:天文學家為何追尋第一代星系

Tiger Hsiao_96
・2022/05/15 ・3764字 ・閱讀時間約 7 分鐘
  • 文/蕭予揚 清大天文所碩士生,將於約翰・霍普金斯大學攻讀天文博士
      林彥興 清大天文所碩士生,EASY 天文地科團隊總編

近日,來自東京大學和倫敦大學學院的科學家 播金優一(Yuichi Harikane) 在天文物理期刊《The Astrophysical Journal》發表了一篇論文,宣稱他們可能找到目前最遠的星系(名為 HD-1,紅移值 z 約為13),打破了原本最遠(GNz-11,z 約為 11)的紀錄。

天文學家為什麼執著要找最遠的星系呢?
是單純為了破紀錄而破、抑或是蘊藏了什麼科學涵義?
天文學家們又是怎麼尋找、並且推論這些星系多遠的呢?

HD1 的影像。圖/Harikane et al.

時間推回到二十世紀初,當時的科學家們對宇宙大小到底是恆定或是膨脹爭論不休,其中,愛因斯坦(Albert Einstein)便是支持「宇宙穩恆態理論」的知名科學家。而支持膨脹宇宙的科學家們,一直到西元 1929 年,愛德溫.哈伯(Edwin Hubble)透過測量其他星系,發現了宇宙在膨脹,才為膨脹宇宙(也就是日後人們所說的「大爆炸理論 The Big Bang Theory」)注入了一劑強心針。

接下來的各種證據,如宇宙微波背景輻射、宇宙中元素的比例等,讓天文學家們越來越確信宇宙的年齡是有限的,並開始利用紙筆與超級電腦,來推測最早、也就是第一代星系及恆星的樣貌,並嘗試用望遠鏡,來尋找早期星系是否和我們預測的相符。

科學家是如何知道距離的呢?

天文學家並沒有一把長達「一百多萬光年」的尺,那他們是如何尋找,並且知道這些早期星系距離我們有多遠呢?讓我們把兩個問題分開,先來探討在宇宙學尺度下的距離是怎麼得到的。

由於我們知道宇宙在膨脹,而這些遠離我們的星系所發出的光,也會因為類似都卜勒效應的影響,有著紅移的現象。而越遠的星系遠離我們的速度越快,它們紅移值也就越大;而從實驗室中,我們知道每種元素都會發出特定的譜線,藉由測量到星系光譜中特定譜線的實際位置,並與那條譜線所該在的位置比較,就能夠計算這些星系的紅移值了。

而結合紅移值和其他測量到的宇宙學參數(例如哈伯常數),就可以從星系的紅移值計算出物理上的距離,比如大家常會看到的「光年」。

星系的紅移(Redshift)與它跟地球的距離(Distance)可以互相換算。圖/林彥興

那既然這樣,我們只要測量所有星系的光譜,不就能知道最遠的星系是哪一個了嗎?可惜事情並沒有這麼簡單。

一來,很多星系(尤其是越遠的星系)都很黯淡,難以測量光譜,二來,測量光譜實際上是又貴又耗時的。所以,以「尋找」的為目的,做單一波段的搜索通常是比較實際的作法。但若是使用單一波段,不就代表我們沒有光譜,這樣不就又不知道距離了?

Well yes, but actually no。大家應該都聽過盲人摸象的故事,透過觀測越多的波段,我們就越能描繪出實際上的光譜,再根據現有的理論模型,我們就可以利用光譜擬合來推論出這些星系的紅移值。

那要如何鎖定這些早期的星系?

天文學家總不可能對每個能測量到的星系都做很多波段的觀測,並且大費周章的利用理論模型去擬合他們。很多特定的望遠鏡(例如 ALMA、JWST)是要寫觀測計畫書和其他天文學家競爭觀測時間的,總要給出一個有力的理由,才能讓你的觀測計劃脫穎而出。

但還沒有資料之前,天文學家要怎麼知道哪個星系是最遠的?這便產生了一個「沒有工作要怎麼有工作經驗」的迴圈。怎麼辦呢?天文學家就是要想辦法,在已經觀測的深空資料庫中去尋找最遠的星系。

哈伯太空望遠鏡拍攝的「哈伯極深空 Hubble Extreme Deep Field」影像。藉由比較圖片中不同紅移的星系的性質,天文學家就能重建出過去百億年來星系的形成與演化歷史。圖/NASA; ESA; G. Illingworth, D. Magee, and P. Oesch, University of California, Santa Cruz; R. Bouwens, Leiden University; and the HUDF09 Team

而要怎麼在龐大的資料庫中尋找遙遠的星系呢?讓我們再次簡單回顧歷史。量子物理在十九世紀末至二十世紀初逐漸開始發展時,瑞士物理學家約翰.巴耳末(Johann Balmer)研究激發態的氫原子所放出的光譜,發現在可見光波段,氫原子只會發射一系列特定波長的譜線。隨後美國物理學家西奧多.萊曼(Theodore Lyman)也接著發現,氫原子從受激態回到基態時,會放出一系列位於紫外線波段的譜線,這些特定的譜線也被稱為萊曼系。

氫原子的各個譜線家族,由上而下分別是位於紫外線的萊曼系,位於可見光的巴耳末系,以及位於紅外線的帕森系。圖/Szdori, OrangeDog

而用來尋找早期星系的第一種方法,也是最主要的搜索方法,就與萊曼系關係密切。天文學家發現,宇宙中有一種名為「萊曼斷裂星系(Lyman-break galaxies; LBGs)」的星系,這種星系的光譜有一個很明顯的特徵,便是在特定的波長以下就幾乎觀測不到,原因是波長更短的光(更高的能量)都被星際物質(Interstellar medium; ISM)和星系際物質(Intergalactic medium; IGM)的中性氫的萊曼線系給吸收了。

而萊曼線系中波長最短的譜線(常稱為萊曼極限)約在 91.2 奈米,最長的萊曼 α 譜線則約在 121.6 奈米。只要透過兩個波長足夠接近的波段去尋找「在長波長有觀測到、但在短波段沒觀測到的天體」(稱為 drop-out),就可以粗略的估計星系的紅移。

舉例來說,如果我們要找紅移值為 9 的萊曼斷裂星系,只需要稍微長於和短於 1216 奈米的兩個波段,看看有沒有星系出現在長波段的影像中,但在短波段的影像中卻沒有出現,就有可能是在紅移值為 9 的萊曼斷裂星系。如果要找越遠的萊曼斷裂星系,只需要換波長較長的波段即可。

近日打破紀錄的最遠星系,也是透過 H-band drop-out(在波長 H 波段沒有觀測到,而較長的波段有)所找出的。

光譜drop-out的例子。圖/Harikane et al (2022)

上圖為近日打破紀錄的最遠星系 HD1 的 H-band drop-out,可以看到長波段:4.5、3.6 微米以及 Ks 波段都有偵測到,但在 H 波段(以及更短波長)的影像就消失不見了。藍色的光譜 z 值為 13.3 的萊曼斷裂模型,灰色的光譜則為可能的低紅移汙染,z=3.9 的巴耳末斷裂模型。

當然,這只能幫助科學家初步的篩選,而且此種方法會受到一些其他非早期星系的汙染。

舉例來說,上文提到氫原子除了萊曼系以外,還有回到第一激發態的巴耳末系。若只是單純地透過 drop-out,因為巴耳末系本身的譜線就比萊曼系來得紅,所以也有可能找到的是紅移值較小的巴耳末斷裂;此外,非常紅且充滿塵埃的星系也會在光譜上出現類似「驟降」的特徵。

當然,更多波段以及光譜的觀測,都有助於釐清這些可能的汙染。而除了上述的方法以外,萊曼 α 發射體(Lyman-alpha emitters; LAEs)、伽瑪射線暴的宿主星系、重力透鏡效應等,也是尋找遙遠星系的重要方法哦!

那麼,找出這些早期星系有什麼科學意義?

現代宇宙學理論認為,宇宙在早期曾經經歷過兩次相變。第一次是宇宙從炙熱的游離態降溫回到中性的氣態,被稱為宇宙的復合時期(Epoch of Recombination),也是大家熟悉的宇宙微波背景的起源;第二次(也是最後一次)的相變,宇宙中的中性氫變成了游離化的氫離子,這個相變的過程被稱為再電離時期(Epoch of Reionization; EoR)。

而目前認為,第二次這個電離的原因,是第一代恆星和第一代星系所發出的強紫外線光,把周圍的中性氫游離成氫離子。藉由尋找越來越多的早期星系,我們就能透過這些早期星系來描繪宇宙再電離時期的歷史,而這又能夠進一步驗證現代宇宙學理論是否正確。不僅如此,研究這些早期星系,可以讓我們對於星系演化的歷史更往前推,或是研究早期星系的超大質量黑洞,是如何長到這麼大等等的議題。

未來展望

在 2021 年底順利升空的詹姆斯.韋伯太空望遠鏡(James Webb Space Telescope; JWST),其中一個主要的科學目標就是研究早期宇宙。如這篇文章一開始提到的「新的最遠的星系(HD-1)」,又如前一陣子發現的「最遠恆星 Earendel」,以及同一團隊的另一個紅移約 11 的星系,都在第一輪 JWST 的觀測計畫之中。

期待幾個月後 JWST 公布的第一批科學照片,能大幅革新我們對早期宇宙的認識。

參考資料(論文們)

延伸閱讀(科普文章)


數感宇宙探索課程,現正募資中!

Tiger Hsiao_96
9 篇文章 ・ 7 位粉絲
現為清大天文所碩二學生,即將赴美於約翰霍普金斯大學攻讀天文博士。